凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究

论文摘要

本文基于工程仿生学研究的基本方法,将动物表面信息抽象为凹坑形仿生非光滑形态,建立了仿生非光滑表面模型,计算了多个速度下该非光滑表面的减阻效果并对其减阻机理进行了研究。传统的减阻研究主要采用风洞实验方法,但是它耗资大、实验条件控制困难,为了缩短开发周期,降低成本,本文用数值计算的方法,对凹坑形非光滑表面流场进行细微的研究,探讨其减阻机理,研究凹坑单元尺寸和来流速度对减阻效果的影响,为设计出更加有效的非光滑形态提供理论依据。本文共设计了4种不同尺寸的凹坑非光滑形态,对不同来流速度下的多种流场进行了模拟。首先确定凹坑形单元的结构和尺寸,采用四面体的非结构网格对模型进行离散化处理,满足了各个表面的网格划分要求。在数学模型上,选用标准k-ε湍流模型使N-S方程封闭:为了精确地计算壁面附近的流场,近壁面区采用低雷诺数下的的标准k-ε模型;运用二阶迎风格式保证了运算的精度。通过比较凹坑形非光滑表面和光滑表面湍流边界层的流动特性,对凹坑形表面的减阻机理进行研究。通过计算,本文得到了如下定性及定量的结论:（1）与光滑表面相比,凹坑非光滑表面上的压差阻力略微增大,但是摩擦阻力得到了很大程度的降低,故总阻力降低;（2）凹坑高径比为0.5的情况下,凹坑直径为0.8mm的非光滑表面比直径为1.0mm的表面具有更好的减阻效果,最高减阻率为7.20%;（3）凹坑直径为0.8mm时,凹坑高径比对减阻效果影响不大,各个模型的最大减阻率都达到了7%以上;（4）对非光滑表面边界层内的流场进行了研究,发现凹坑单元能改变边界层的厚度以及边界层内的一些物理量的特性,达到减小阻力的作用;（5）绘制出凹坑内部的流线图和速度矢量图,发现来流与光滑表面之间是固-气两相界面,而非光滑表面上的凹坑单元使得来流气体与凹坑内部的低速气体形成气-气接触,这样能改变其边界层内的流场,大大降低摩擦阻力,达到减阻的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 减阻技术的研究现状
• 1.2.1 减阻技术分类
• 1.2.2 非光滑表面减阻方法综述
• 1.2.3 非光滑表面减阻机理的研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 凹坑形仿生非光滑表面模型设计及计算区域的离散化
• 2.1 凹坑形仿生非光滑表面形态选择原则
• 2.1.1 仿生非光滑表面的生物原型
• 2.1.2 非光滑结构的尺寸选择原则
• 2.2 计算域模型的建立
• 2.3 计算区域的离散化
• 2.3.1 网格生成介绍
• 2.3.2 计算网格的划分
• 2.3.3 边界层网格的处理措施
• 2.4 本章小结
• 3 非光滑表面减阻数值模拟方法
• 3.1 计算流体力学CFD概述
• 3.2 基于有限体积法法的控制方程的离散
• 3.2.1 有限体积法的基本思想
• 3.2.2 空间离散格式的选择
• 3.3 数值模拟方法
• 3.3.1 数值模拟方法的选取
• 3.3.2 湍流模型的选取
• 3.3.3 湍流模型方程
• 3.3.4 近壁面处理
• 3.4 边界条件和初始条件的确定
• 3.5 计算过程及软件的参数设定
• 3.6 保证计算精度的措施
• 3.7 本章小结
• 4 凹坑形仿生非光滑表面流场数值模拟结果分析
• 4.1 模拟思路与减阻评定标准
• 4.1.1 模拟思路
• 4.1.2 减阻评定标准
• 4.2 数值模拟结果分析
• 4.2.1 来流速度对减阻率的影响
• 4.2.2 凹坑尺寸对减阻率的影响
• 4.2.3 粘性摩擦阻力和压差阻力
• 4.3 本章小结
• 5 凹坑非光滑表面减阻机理分析
• 5.1 剪应力分析
• 5.1.1 光滑表面与非光滑表面剪应力云图
• 5.1.2 光滑表面和凹坑表面剪应力比较
• 5.2 湍流统计量分析
• 5.2.1 湍流动能
• 5.2.2 湍流强度
• 5.3 速度场分析
• 5.4 凹坑形仿生非光滑表面的减阻机理
• 5.4.1 非光滑形态底部存在低速旋转流体
• 5.4.2 非光滑结构可以增大边界层厚度
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢